太空機構和私人公司已經有了在未來幾年將人類送上火星的先進計劃——最終將其殖民化。隨著越來越多的類地行星在附近的恆星周圍發現，長途太空旅行似乎從未如此令人興奮。
然而，人類在太空中存活很長的時間並不容易。長距離太空飛行的主要挑戰之一是運送足夠的氧氣供宇航員呼吸，以及足夠的燃料為複雜的電子設備提供動力。遺憾的是，太空中可用的氧氣很少，而且距離太遠，很難進行快速的補充。
但是現在發表在《自然通訊》上的一項新研究表明，利用半導體材料和在失重狀態下的陽光(或星光)，僅靠水就可以產生氫(用於燃料)和氧(用於生命)——使持續的太空旅行成為可能。
美國宇航局宇航員凱特·魯賓斯在國際空間站上使用氮氣/氧氣補給系統。這些油箱被設計成插入空間站現有的空氣供應網絡，以補充機組人員的可呼吸空氣供應。
利用無界的太陽資源為我們的日常生活提供動力是地球上最大的挑戰之一。隨著我們逐漸從石油轉向可再生能源，研究人員對氫作為燃料的可能性很感興趣。最好的辦法是將水(H2O)分解成氫和氧。這是有可能的，使用一種叫做電解的過程，它涉及在含有可溶性電解質的水樣中運行電流。這將水分解成氧和氫，在兩個電極上分別釋放。
雖然這種方法在技術上是可行的，但由於我們需要更多與氫有關的基礎設施，如氫再充電站，以擴大它的規模，它還沒有在地球上變得容易獲得。
太陽能
以這種方式從水中產生的氫和氧也可以作為航天器的燃料。事實上，用水發射火箭要比用火箭燃料和氧氣發射火箭安全得多，因為火箭可能會爆炸。一旦進入太空，特殊的技術就可以將水分解成氫和氧，進而可以用來維持生命或通過燃料電池來發電。
有兩個選擇。一種是電解，就像我們在地球上做的那樣，利用電解液和太陽能電池捕捉陽光並將其轉化為電流。
光催化劑從水中產生氫氣
另一種選擇是使用“光催化劑”，它通過吸收光粒子（光子）到插入水中的半導體材料中來工作。光子的能量被物質中的一個電子吸收，這個電子會跳躍，留下一個洞。自由電子能與水中的質子(組成原子核的質子和中子)發生反應而形成氫。同時，這個洞可以從水中吸收電子，形成質子和氧氣。
這個過程也可以逆轉。氫和氧可以通過燃料電池將“光催化”吸收的太陽能轉化為“再結合”，光催化是一種可以用來為電子設備提供動力的能源。重組只是將水作為一種產品——這意味著水也可以被循環利用。這是長途太空旅行的關鍵。
使用光催化劑的工藝是太空旅行的最佳選擇，因為設備的重量比電解所需的要輕得多。理論上講，它應該很容易工作。這在一定程度上是因為陽光的強度要高得多，而地球的大氣層在進入地表的過程中不會吸收大量的陽光。
氣泡管理
德國不萊梅大學應用空間技術和微重力中心的掉落塔
在新的研究中，研究人員安裝了用於光催化的完整實驗裝置，從一個120m的掉落塔上下來，創造了一個類似於微重力的環境。當物體以自由落體的形式向地球加速時，由於重力的作用被由於加速度而產生的相等和相反的力抵消了，重力的作用就減小了。這與宇航員和戰鬥機飛行員在飛機上加速時所經歷的加速度力相反。
研究人員設法證明，在這種環境中確實有可能分解水。然而，當水被分裂成氣體時，氣泡就形成了。從催化劑材料中去除氣泡是很重要的——氣泡阻礙了生成氣體的過程。在地球上，重力使氣泡自動漂浮到表面(靠近表面的水比氣泡密度更大，這使得氣泡更加豐滿)，從而釋放催化劑上的空間，以便產生下一個氣泡。
在失重狀態下，這是不可能的，氣泡將停留在催化劑上或催化劑附近。然而，科學家們調整了催化劑中納米尺度特徵的形狀，創造了金字塔形狀的區域，在那裡，氣泡可以很容易地從頂端脫離，飄進介質中。
但一個問題仍然存在。在沒有重力的情況下，氣泡將會留在液體中——即使它們已經被從催化劑本身中擠出。重力允許氣體很容易地從液體中逸出，這對於使用純氫和氧是至關重要的。沒有重力的存在，就不會有氣泡浮到表面並與混合物分離——相反，所有的氣體都會形成泡沫。
通過阻斷催化劑或電極，這大大降低了工藝的效率。圍繞這個問題的工程解決方案將是成功地在太空中實現技術的關鍵——有一種可能性是利用飛船旋轉的離心力將氣體從溶液中分離出來。
儘管如此，由於這項新研究，我們離人類長期太空飛行又近了一步。
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